Die Bedeutung von Mikroben, die sich in der Umgebung der Wurzeln von Pflanzen ansiedeln, wird immer deutlicher. Diese Mikroben sind nicht nur für die Gesundheit der Pflanzen entscheidend, sondern auch für die Effizienz der Nährstoffaufnahme, insbesondere von Stickstoff. Ein internationales Forschungsteam, an dem das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) beteiligt war, hat kürzlich herausgefunden, wie genetische Unterschiede, die Regulierung der Genaktivität sowie die Zusammensetzung des Mikrobioms miteinander verbunden sind und wie sie die Nährstoffaufnahme von Raps (Brassica napus) beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Plants“ veröffentlicht.
Stickstoff ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzen und wird weltweit in großem Umfang durch Düngemittel bereitgestellt. Allerdings hat der übermäßige Einsatz von Stickstoffdüngern negative Auswirkungen auf die Umwelt und das Klima. Hier kommen die Mikroben ins Spiel, die das Wachstum von Seitenwurzeln fördern. Diese zusätzlichen Wurzeln ermöglichen es den Pflanzen, Stickstoff effizienter zu nutzen, insbesondere in Zeiten von Nährstoffmangel oder Stress. Wenn Pflanzen in der Lage sind, den vorhandenen Stickstoff besser zu verwerten, könnte der Einsatz von Düngemitteln reduziert werden, was sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile mit sich bringt.
Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Forscher 175 verschiedene Rapslinien an zwei Standorten in China. Während der Blütezeit wurden die Seitenwurzeln sowie deren Rhizosphäre entnommen, um rRNA-Profile zu erstellen, die Informationen über die Bakterienzusammensetzung liefern. Zudem wurde die oberirdische Biomasse der Pflanzen getrocknet und ein Mineralstoffprofil erstellt, das insgesamt zwölf Elemente umfasste. Die Wissenschaftler konnten 1.341 Datensätze miteinander verknüpfen, die Informationen über das Genom, die Genaktivität, das Mikrobiom und die Nährstoffprofile enthielten. Durch statistische Analysen identifizierten sie Gene und Genorte, die die Häufigkeit spezifischer Bakterien im Wurzelraum steuern.
Ein zentrales Ergebnis der Studie war die Identifikation des Bakteriums Sphingopyxis als Schlüsselbakterium, das die Bildung von Seitenwurzeln durch das Pflanzenhormon Auxin unterstützt. Diese Bakterienart trägt nicht nur zur Erhöhung der Biomasse bei, sondern verbessert auch die Stickstoffaufnahme, insbesondere bei niedrigen Stickstoffkonzentrationen. Dr. Guoliang Li, einer der Hauptautoren der Studie, veranschaulicht dies: „Die zusätzlichen Seitenwurzeln wirken wie zusätzliche Finger, die der Pflanze helfen, Nährstoffe besser aus dem Boden zu greifen.“ Sphingopyxis spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem es den Wachstumsprozess dieser „Finger“ anregt.
Die Forschungsergebnisse zeigen auch, dass es zahlreiche genetische Steuerungspunkte gibt, die die Häufigkeit bestimmter Mikroben im Wurzelbereich beeinflussen. Besonders relevant sind jene Punkte, die mit dem Kohlenstoff- und Stickstoffstoffwechsel der Pflanzen verknüpft sind. Die Studie belegt, dass die Genaktivität und die Eigenschaften des Mikrobioms bis zu 45 Prozent der Variabilität in der Stickstoffaufnahme erklären können. Es wurde festgestellt, dass Gene und deren Aktivität die Zusammensetzung des Mikrobioms besser charakterisieren als das Genom selbst.
Diese Erkenntnisse bieten eine wertvolle Grundlage, um die Zusammenhänge zwischen Pflanzengenetik, Mikrobiom und Nährstoffaufnahme besser zu verstehen. Prof. Dr. Jochen Reif, Leiter der Abteilung für Züchtungsforschung am IPK, hebt hervor, dass die identifizierten genetischen Hotspots und Kandidatengene Ansatzpunkte für zukünftige Züchtungsprojekte sowie funktionelle Studien darstellen. Ziel ist es, Pflanzenlinien zu entwickeln, die gezielt Mikroben wie Sphingopyxis anziehen und nutzen können. Dies könnte nicht nur die Pflanzenerträge stabilisieren, sondern auch die Kosten für Düngemittel senken, die Bodengesundheit fördern und die Emissionen reduzieren. Auf diese Weise könnte ein wichtiger Beitrag zu nachhaltigeren und klimafreundlicheren landwirtschaftlichen Produktionssystemen geleistet werden.
